Комбинированное торцевое уплотнение вала

Полезная модель относится к уплотнительной технике, а именно к торцовым уплотнениям, и может быть использована для герметизации вращающихся валов насосов и агрегатов. Заявлено комбинированное торцовое уплотнение вала, которое включает в себя основную торцовую ступень, уплотняющий подвижный контакт которой образован взаимодействующими по уплотнительному пояску антифрикционных колец невращающегося и вращающегося узлов, невращающийся узел установлен в корпусе, а вращающийся - на втулке, расположенной на валу, аварийную торцовую ступень, включающую невращающийся и вращающийся узел, вращающийся узел подвижен в осевом направлении и имеет антифрикционное кольцо, установленное на втулке, между ними имеется эластичное кольцо, размещенное в канавке, невращающийся узел имеет антифрикционное кольцо, установленное в корпусе, при этом между антифрикционными кольцами аварийной торцовой ступени имеется зазор, который пропадает в случае выхода из строя основной торцовой ступени и образуется уплотняющий подвижный контакт взаимодействующих по уплотнительному пояску антифрикционных колец невращающегося и вращающегося узлов аварийной торцовой ступени. С целью повышения надежности работы узла, стенка канавки с противоположной стороны основной торцовой ступени выполнена наклонной с углом 45°±15°. Вращающееся антифрикционное кольцо аварийной торцовой ступени со стороны основной торцовой ступени может быть выполнено с внутренним диаметром D, определяемым условием D_c<DD_{нар к}, где: 1. D_c - наружный диаметр стандартной канавки, указанной по ГОСТ 9833-73; D_{нар к} - наружный диаметр эластичного кольца, причем длина данного отверстия меньше длины антифрикционного кольца. 1 зав. п. ф-лы, 4 илл.

Полезная модель относится к уплотнительной технике, а именно к торцовым уплотнениям, и может быть использована для герметизации вращающихся валов насосов и агрегатов.

Известны комбинированные герметизирующие устройства для отключения торцового герметизатора, в которых используют автоматические системы, срабатывающие при достижении заданной частоты вращения вала или выхода из строя основной ступени герметизации (см. Г.А. Голубев, Г.М. Кукин и др. Контактные уплотнения вращающихся валов. М., «Машиностроение», 1976 стр.204 рис 122). Данные конструкции сложны и ненадежны в работе.

Наиболее близким техническим решением является решение по литературе: Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник/ Л.А.Кондаков, А.И.Гордеев и др. Под общ. Ред. А.И.Голубева, Л.А.Кодакова - 2-е изд., перераб. И доп. - М., Машиностроение, 1994, стр.414, в котором комбинированное торцовое уплотнение вала, включает в себя основную торцовую ступень, уплотняющий подвижный контакт которой образован взаимодействующими по уплотнительному пояску антифрикционных колец невращающегося и вращающегося узлов, невращающийся узел установлен в корпусе, а вращающийся - на втулке, расположенной на валу, аварийную торцовую ступень, включающую невращающийся и вращающийся узел, вращающийся узел подвижен в осевом направлении и имеет антифрикционное кольцо, установленное на втулке, между ними имеется эластичное кольцо, размещенное в канавке, невращающийся узел имеет антифрикционное кольцо, установленное в корпусе, при этом между антифрикционными кольцами аварийной торцовой ступени имеется зазор, который пропадает в случае выхода из строя основной торцовой ступени и образуется уплотняющий подвижный контакт взаимодействующих по уплотнительному пояску антифрикционных колец невращающегося и вращающегося узлов аварийной торцовой ступени.

Недостатком данного решения является также невысокая надежность работы узла, так как в случае выхода из строя основной торцовой ступени и образовании уплотняющего подвижного контакта взаимодействующих по уплотнительному пояску антифрикционных колец невращающегося и вращающегося узлов аварийной торцовой ступени, требуются дополнительные элементы в конструкции, обеспечивающие в дальнейшем возврат в начальное положение аварийной ступени, например, в виде пружин, что усложняет конструкцию и уменьшает ее надежность. Наличие пружин и уплотнительного эластичного кольца, расположенного в канавке, уменьшает чувствительность комбинированного торцового уплотнения, так как на перемещение подвижного антифрикционного кольца требуется дополнительное усилие на растяжение пружин и преодоление силы трения эластичного кольца.

Задачей полезной модели является повышение надежности работы конструкции.

Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении надежности работы комбинированного торцового уплотнения вала.

Указанный технический результат достигается тем, что стенка канавки с противоположной стороны основной торцовой ступени выполнена наклонной с углом 45°±15°, а вращающееся антифрикционное кольцо аварийной торцовой ступени со стороны основной торцовой ступени может быть выполнено отверстие с внутренним диаметром D, определяемым условием D_с <DD_{нар к}, где:

D_c - наружный диаметр стандартной канавки, указанной по ГОСТ 9833-73;

D_{нар к} - наружный диаметр эластичного кольца, причем длина данного отверстия меньше длины антифрикционного кольца.

На фиг.1 представлено продольное сечение комбинированного торцового уплотнения вала при работе основной торцовой ступени.

На фиг.2 представлено положение эластичного кольца в канавке при работе основной торцовой ступени.

На фиг.3 представлено сечение комбинированного торцового уплотнения вала при работе аварийной торцовой ступени.

На фиг.4 представлено положение эластичного кольца в канавке при работе аварийной торцовой ступени.

На фиг.5 представлено воздействие сил на эластичное кольцо в канавке при угле наклона стенки от 30 до 45 градусов.

На фиг.6 представлено воздействие сил на эластичное кольцо в канавке при угле наклона стенки от 45 до 60 градусов.

Комбинированное торцовое уплотнение вала, включает в себя основную торцовую ступень, уплотняющий подвижный контакт которой образован взаимодействующими по уплотнительному пояску 1 антифрикционных колец невращающегося 2 и вращающегося 3 узлов, невращающийся узел 2 установлен в корпусе 4, а вращающийся 3 - на втулке 5, расположенной на валу 6, аварийную торцовую ступень, включающую невращающийся узел и вращающийся узел, вращающийся узел подвижен в осевом направлении и имеет антифрикционное кольцо 7, установленное на втулке 5, между ними имеется эластичное кольцо 8, размещенное в канавке 9, невращающийся узел имеет антифрикционное кольцо 10, установленное в корпусе 4, при этом между антифрикционными кольцами аварийной торцовой ступени имеется зазор S, который пропадает в случае выхода из строя основной торцовой ступени и образуется уплотняющий подвижный контакт взаимодействующих по уплотнительному пояску антифрикционных колец невращающегося и вращающегося узлов аварийной торцовой ступени. Стенка канавки 11 с противоположной стороны основной торцовой ступени выполнена наклонной с углом величиной 45°±15°. Вращающееся антифрикционное кольцо аварийной торцовой ступени со стороны основной торцовой ступени может быть выполнено отверстие с внутренним диаметром D, определяемым условием D_с<DD_{нар к}, где:

D_c - наружный диаметр стандартной канавки, указанной по ГОСТ 9833-73;

D_{нар к} - наружный диаметр эластичного кольца,

причем длина данного отверстия меньше длины антифрикционного кольца.

Целесообразно рассмотреть влияние наклона стенки канавки на особенности работы устройства.

При малом угле наклона стенки канавки (см. фит.5) реакция опоры на эластичное кольцо имеет составляющую в радиальном направлении Fp меньше чем составляющую в горизонтальном направлении Fг.

Такое состояние колец уплотнительной пары обеспечивает минимальное прижатие эластичного кольца к подвижному при воздействии давления Р, и отход эластичного кольца от стенки при снятии давления Р из полости между ступенями уплотнения.

При большом угле наклона стенки канавки (см. фиг.6) реакция опоры Fг меньше и эластичное кольцо глубже заходит в зазор с усилием в радиальном направлении Fp большем, чем в горизонтальном направлении Fг.

В этом случае вероятность уплотнения зазора выше чем в случае фиг.5, однако возврат эластичного кольца в начальное положение при снятии давления Р из полости между ступенями уплотнения будет проблематичным ввиду меньшей величины силы, действующей в осевом направлении.

Одной из основных задач при создании работоспособного устройства является определение угла наклона канавки, удовлетворяющего требованиям, как по уплотнению зазора, так и по обеспечению возврата подвижной ступени в положение, обеспечивающее бесконтактное состояние колец защитной ступени.

Поскольку на работоспособность устройства влияют точность изготовления сопрягаемых деталей, шероховатость их поверхностей, величина давления рабочей среды, подтверждение выбранного диапазона угла наклона канавки проверялась при проведении испытаний устройства (см. приложение Технический отчет об испытаниях торцовых уплотнений с защитной ступенью).

Комбинированное торцовое уплотнение работает следующим образом.

В исходном состоянии после сборки уплотнения и установки его на насос (не изображен) между антифрикционными кольцами 7, 10 аварийной торцовой ступени существует зазор S. При повреждении основной торцовой ступени, например, разрушении уплотнительного пояска 1, перекачиваемая насосом жидкость или газ, через образовавшуюся щель по кольцевому зазору между втулкой 5 и корпусом 4 поступает к месту расположения антифрикционного кольца 7. Под действием перепада давления кольцо 7 перемещается до соприкосновения с антифрикционным кольцом 10. За счет уменьшения протечек между антифрикционными кольцами и возрастания перепада давления на аварийной ступени возрастает сила воздействия на эластичное кольцо 8, которое перемещается в канавке 9 и прижимается к наклонной боковой поверхности, сжимается и уплотняет щелевой зазор между втулкой 5 и кольцом 7. Течь через уплотнение локализуется. Отсутствие усилий на деформацию пружин, а также минимального сопротивления перемещению эластичного кольца, из-за выполнения вращающегося антифрикционного кольца аварийной торцовой ступени со стороны основной торцовой ступени отверстие с внутренним диаметром D, определяемым условием D_с <DD_{нар к}, где:

D_c - наружный диаметр стандартной канавки, указанной по ГОСТ 9833-73;

D_{нар к} - наружный диаметр эластичного кольца, причем длина данного отверстия меньше длины антифрикционного кольца, обеспечивают максимальную чувствительность к срабатыванию аварийной торцовой ступени, а, следовательно, и повышение надежности работы комбинированного торцового уплотнения вала.

После отключения агрегата и снятия давления перекачиваемой среды до атмосферного, эластичное кольцо 8, в силу упругих свойств, имея горизонтальную составляющую F_г от силы F, воздействующей по нормали к наклонной поверхности канавки, отталкивает подвижное антифрикционное кольцо 7 от неподвижного кольца 10, вновь образуя первоначальный зазор S и приводя комбинированное торцовое уплотнение вала в исходное состояние.

Промышленная применимость очевидна. Опытная партия данной конструкции по чертежам автора опробована на предприятии ООО НПЦ «Анод» г.Нижний Новгород и показала положительные результаты.

Перечисленные признаки отличают техническое решение от прототипа и обусловливают соответствие этого решения требованиям полезной модели.

1. Комбинированное торцевое уплотнение вала, включающее в себя основную торцевую ступень, уплотняющий подвижный контакт которой образован взаимодействующими по уплотнительному пояску антифрикционных колец невращающегося и вращающегося узлов, невращающийся узел установлен в корпусе, а вращающийся - на втулке, расположенной на валу, аварийную торцевую ступень, включающую невращающийся и вращающийся узел, вращающийся узел подвижен в осевом направлении и имеет антифрикционное кольцо, размещенное на втулке, и эластичное кольцо, размещенное между ними в канавке, невращающийся узел имеет антифрикционное кольцо, установленное в корпусе, при этом между антифрикционными кольцами аварийной торцевой ступени имеется зазор, который пропадает в случае выхода из строя основной торцевой ступени и образуется уплотняющий подвижный контакт взаимодействующих по уплотнительному пояску антифрикционных колец невращающегося и вращающегося узлов аварийной торцевой ступени, отличающееся тем, что стенка канавки с противоположной стороны основной торцевой ступени выполнена наклонной с углом 45°±15°.

2. Комбинированное торцевое уплотнение вала по п.1, отличающееся тем, что вращающееся антифрикционное кольцо аварийной торцевой ступени со стороны основной торцевой ступени выполнено с внутренним диаметром D, определяемым условием D_с <DD_{нар к}, где

D_c - наружный диаметр стандартной канавки, определяемой по ГОСТ 9833-73;

D_{нар к} - наружный диаметр эластичного кольца,

причем длина данного отверстия меньше длины антифрикционного кольца.